DE3801647C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines Allradaggregats - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines AllradaggregatsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Prüfung eines Allrad
aggregats durch Simulation von Fahrzuständen des zugehörigen Fahrzeugs
in einem Allradprüfstand, in dem das Allradaggregat mit einer Vorder
maschine und jeweils an den Achsen mit einer Hintermaschine gekuppelt
ist.
Mit einem Allradprüfstand soll das Verhalten eines Allradaggregats
eines Kraftfahrzeugs bei unterschiedlichen statischen und dynamischen
praxisnahen Belastungszuständen festgestellt werden. Insbesondere
sollen nicht nur stationäre Belastungen, sondern auch dynamische Aus
gleichsvorgänge nachgebildet und geprüft werden.
Die Allradaggregate können unterschiedlich ausgebildet sein. Unter
schiede sind in Bezug auf Leistung, Art (Schalt- oder Wandlergetriebe),
den Übersetzungsbereich, die Lastverteilung (Art des Verteilergetriebes,
der Differentialsperre, der Differentialbremse) vorhanden.
Als Antrieb für das Allradaggregat wird ein Elektromotor oder ein
Verbrennungsmotor verwendet. Die Belastungen an den Achswellen werden
mit Hilfe von Gleichstrommaschinen simuliert. Deshalb werden im Prüf
stand an den vier Achswellen Bremsaggregate mit den Gleichstrommaschinen
angekuppelt. Die Gleichstrommaschinen simulieren für eine angenommene
Fahrt den Drehzahlverlauf. Dieser ist einerseits vom Verbrennungsmotor
und dem Verhalten des Antriebsstranges, andererseits von den Fahrwider
ständen, der Fahrzeugmasse und dem Übertragungsverhalten des Reifens zur
Straße abhängig.
Ein Steuergerät nimmt statt eines Fahrers während einer simulierten
Fahrt Einfluß auf den Verbrennungsmotor und auf Teile des Antriebs
strangs (Wählhebelstellung, Schaltgetriebe, Kupplung, Differentialsperre
usw.). Mit dem Prüfstand werden die Achswellendrehzahlen und die Achs
wellenmomente der einzelnen Antriebsstränge über die Bremsaggregate
gemessen. Hieraus wird die Fahrgeschwindigkeit bestimmt.
Die Drehmomente in den Achswellen werden vom Kfz-Motor und dem Über
tragungsverhalten des zu prüfenden Antriebsstranges verursacht.
Die Bauteile des Antriebsstranges bestimmen die dynamische und statische
Aufteilung der Last auf die Räder und zwar in Reaktion auf die sich
einstellende Achswellendrehzahl. Die Fahrt wird durch das Zusammenwirken
mehrerer Modelle simuliert, die sich wechselseitig über den Prüfling
und/oder direkt beeinflussen.
Um die gleichen Belastungszustände wie auf der Straße zu erhalten, ist
die Struktur der Fahrsimulation so aufgebaut, daß sich der Antriebs
strang auf die Einflüsse des Verbrennungsmotors und der Achswellen frei
einstellen kann. Der Verbrennungsmotor dient als Energiequelle und
liefert an den Antriebsstrang ein Drehmoment, das im folgenden auch mit MM
bezeichnet wird. Auf dieses Drehmoment reagiert der Antriebsstrang und
führt die im folgenden auch mit nM bezeichnete Drehzahl des Ver
brennungsmotors. Der Antriebsstrang leitet die ihm zugeführte Energie an
die Achswellen weiter und erzeugt dort die Achswellenmomente, die im
folgenden mit MA bezeichnet sind.
Durch sein konstruktiv bedingtes Übertragungsverhalten - und der dadurch
hervorgerufenen Reaktion der vier Achswellendrehzahlen - ergibt sich eine
bestimmte Momentenaufteilung, d. h. die vier Achswellenmomente MA können
wie im Straßenbetrieb unterschiedlich hoch werden.
Bekannt ist ein Prüfstand für Kraftfahrzeugkomponenten wie Motoren,
Getriebe und Achsen, mit dem die an die jeweilige Kraftfahrzeugkomponente
anzukoppelnde Masse durch ihr Trägheitsmoment einschließlich einer
Federsteifigkeit und einer Dämpfung elektrisch simuliert werden. Der
Prüfstand enthält eine momentengeregelte elektrische Maschine und ein
elektronisches Übertragungsglied sowie das Trägheitsmoment, die Federsteifigkeit
und die Dämpfung simulierende elektronische Funktionsglieder (DE
34 16 496 A1).
Bei einem anderen bekannten Prüfstand für Drehmomenterzeuger wie Brennkraftmaschinen
ist der Prüfling über seine Welle mit einem elektrischen
Antrieb verbunden, der ein konstantes Trägheitsmoment hat. Der Antrieb
simuliert im Prüfstand entsprechend einem in einer Datenverarbeitungseinrichtung
gespeicherten Programm das Drehmoment der Last und deren
veränderliches Trägheitsmoment. Auf diese Weise kann der Prüfling
beispielsweise mit einem Fahrzeug zugeordneten Drehmomenten und veränderlichen
Trägheitsmomenten geprüft werden. Gemessen wird das zwischen
Prüfling und Antrieb ausgetauschte äußere Drehmoment sowie das vom
elektrischen Antrieb aufgebrachte Drehmoment. Daraus wird ein Modelldrehmoment
gebildet und mit dem Lastmoment zum Sollwert für den elektrischen
Antrieb zusammengesetzt (DE 32 25 035 A1).
Bekannt ist weiterhin ein Prüfstand mit einer Einrichtung zur Drehmoment-
oder Drehzahlregelung einer elektrischen Vorder- und/oder Hintermaschine,
die an ein automatisches Getriebe angekuppelt werden. Die über das
automatische Getriebe gekuppelten elektrischen Antriebe können wahlweise
sowohl drehzahl- als auch momentengeregelt gefahren werden. Es lassen sich
damit gewünschte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien durchfahren. Die Ausgangsgröße
eines Drehzahlreglers liefert dabei die Steuergröße für das
Stellglied der Maschine, wobei die Führungsgröße für die regelbare
Begrenzung des Drehzahlreglers vom Ausgangssignal eines Drehmomentreglers
abgeleitet wird (DE 23 35 758 A1).
Schließlich ist ein Maschinenprüfstand bekannt, bei dem an die An- und
Abtriebswelle eines Ausgleichgetriebes elektrische Maschinen angekuppelt
sind. Jede elektrische Maschine ist in einem Stromregelkreis und einem
diesem überlagerten Regelkreis für eine vorgebbare Regelgröße angeordnet.
Die vorgebbare Regelgröße für die Antriebsregelstrecke ist die Antriebsdrehzahl.
Die vorgebbare Regelgröße für die Abtriebsregelstrecken ist das
Drehmoment (DE 24 47 632 A1).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß Fahrzeugzustände
auch bei niedrigen Werten der Reifenhaftung simuliert werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Mit den im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen ist es
möglich, den Fahrbetrieb auch für vereiste Straßen zu simulieren. Die
Kennlinie der Umfangskraft des Reifens als Funktion der Drehzahldifferenz
zwischen der Reifendrehzahl und der der Fahrgeschwindigkeit entsprechenden
Drehzahl enthält indirekt Werte der Reifenhaftung. Durch die Vorgabe sehr
geringer Umfangskräfte, d. h. geringer Reibungswerte, läßt sich ein
Durchrutschen des jeweiligen Rads simulieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird zu dem Istwert der Achsdrehzahl
jeweils über eine dem Drehmoment der Radbremse entsprechende Kennlinie ein
Bremsmoment bestimmt, das vorzeichenrichtig mit dem Istwert des Achsmoments
und der Reifenumfangskraft aufsummiert wird. Mit diesem Verfahren
können zugleich Bremsvorgänge simuliert werden.
Vorzugsweise werden die Differenzen der an den Rädern angreifenden Momente
vorzeichenrichtig aufsummiert und als Summenkraft vorzeichenrichtig mit
auf die Fahrzeugmasse wirkenden vorgebbaren Kräften zu einer Differenzkraft
summiert, die nach Integration und Division durch die Fahrzeugmasse als
Fahrzeuggeschwindigkeit in die Führungsgrößen für die einzelnen Räder
umgerechnet wird. Mit diesen Maßnahmen wird der Fahrbetrieb auf der Ebene
des Fahrzeugs simuliert. Die Fahrgeschwindigkeit wird mit Hilfe der am
Antriebsstrang über die Hintermaschinen gemessenen Achswellendrehzahlen
und Achswellenmomente bestimmt.
An dieser aus dem Modell bezogenen Fahrgeschwindigkeit orientieren sich
in ihrem Verhalten stets alle vier Hintermaschinen.
- - Bei Geradeausfahrt, gleichgroßen Reifenradien und ausreichender Haftung der Reifen laufen alle Maschinen mit der der Fahr geschwindigkeit entsprechenden Drehzahl nACHSE=vKFZ * 1/Rdyn * (1-s),worin mit vKFZ die Fahrzeuggeschwindigkeit, mit Rdyn der dynamische Rollradius und mit s der Schlupf zwischen Reifen und Straße bezeichnet sind.
- - Bei Kurvenfahrt überlagert sich eine Drehzahlkorrektur, die sich wie auf der Straße ausbilden kann, wenn es der Prüfling aufgrund seines Verhaltens zuläßt (freies Differential).
- - Bei überschrittener Reifenhaftung (Durchrutschen) werden vorstehende Zusammenhänge gestört und es ergeben sich Drehzahlabweichungen an den einzelnen Rädern.
Vorzugsweise wird die Fahrzeuggeschwindigkeit mit den an einer Karosserie
angreifenden Fahrwiderständen multipliziert, wobei die daraus
resultierende Fahrwiderstandskraft vorzeichenrichtig der Differenzkraft
hinzugefügt wird. Hierdurch wird eine weitere Annäherung an die tat
sächlichen Verhältnisse beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs auf einer
Straße erreicht. Darüber hinaus kann auch noch eine Hangabtriebskraft
vorzeichenrichtig der Differenzkraft hinzugefügt werden. Mit den oben
beschriebenen Maßnahmen können Testfahrten auf der Straße realistisch
nachgebildet werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des im Anspruch 1 beschriebenen
Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß als Hintermaschine an jeder
Achswelle eine Gleichstrommaschine angekoppelt ist, mit deren Rotor ein
Tachogenerator verbunden ist, der mit einer Summierstelle verbunden ist,
die an einen Rechenbaustein für die Radgeschwindigkeit angeschlossen ist
und der ein Prozessor mit einem Speicher für die Kennlinie der Umfangs
kraft am Reifen nachgeschaltet ist, daß der Ausgang des jeweiligen des Prozessors an
eine Summierstelle gelegt ist, die an eine Meßwelle für das Achswellen
moment angeschlossen ist und über einen Integrator, der einen weiteren
Eingang für die Division durch das Radträgheitsmoment aufweist, mit einer
Summierstelle verbunden ist, die an dem Tachogenerator und an einen
Regelbaustein angeschlossen ist, dem die Gleichstrommaschine nach
geschaltet ist. Mit dieser Anordnung wird das Drehzahl/Drehmoment-
Verhalten einer Radachse realistisch simuliert.
Eingangsgrößen für die Anordnung, die für jede Achse vorhanden ist, sind
das gemessene Achswellenmoment und die von einer Fahrzeugsimulation
gebildete Radgeschwindigkeit.
Ausgangsgrößen sind die Raddrehzahl und die vom Reifen auf die Straße
übertragene Kraft.
Aus dem Schlupf des Reifens und der gespeicherten Schlupfkennline
ermittelt die Simulation die vom Reifen auf die Straße übertragene Kraft.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Tachogenerator über einen
Funktionsbaustein für die Einstellung des Bremsmoments einer Radbremse an
die Summierstelle vor dem Integrator angeschlossen.
In Verbindung mit dem gemessenen Drehmoment und dem Drehmoment der
Fahrzeugbremse MB entsteht durch Integration die Drehzahl des Rades.
Die Abweichung von der idealen Raddrehzahl ergibt sich durch den Schlupf
des Reifens:
- a) bei normalem Betrieb durch den Fahrschlupf,
- b) bei überschrittener Haftfähigkeit zur Straße (Durchrutschen des Rades).
Diese beiden Einflußgrößen sind in der Übertragungskennlinie berück
sichtigt.
Stellglied für das Modell ist die elektrische Gleichstrommaschine, die
in der Drehzahl geführt wird.
Innerhalb des Arbeitsbereiches der Gleichstrommaschine wird dabei deren
höhere Massenträgheit kompensiert, so daß nur die in den Fahrzeugdaten
festgelegte Reifenträgheit wirksam wird.
Eine starre Drehzahlführung ist nicht gegeben, da der Antriebsstrang mit
dem von ihm kommenden Achswellenmoment MA über das Modell die Achs
wellendrehzahl nA mitbestimmt.
Dadurch erfolgt die Anpassung z. B. an ganz oder teilweise gesperrte
Differentiale oder auch an nicht angetriebene Räder.
Den Kräften an den Radachsen kommt besondere Bedeutung zu, da sich
daraus das dynamische Verhalten der Raddrehzahl nA und damit die
Reaktion des Antriebsstranges in bezug auf das von diesem auf die
Achswellen geleitete Drehmoment ergibt.
Die Kennlinie der Umfangskraft kann nach Bedarf über ein Terminal dem
Prozessor eingegeben werden, und zwar die Umfangskraft am Reifen als
Funktion der Drehzahldifferenz zwischen Straße und Reifenumfang.
Sie besteht aus zwei Teilkurven:
- 1. Einer reifenabhängigen Schlupfkennlinie, die den normalen Fahrschlupf berücksichtigt;
- 2. einer straßenabhängigen Begrenzung der Übertragungsfähigkeit, die ein freies Durchrutschen des Reifens zur Folge hat, wenn die Zugkraft grenze erreicht wird.
Vorzugsweise sind die Ausgänge der Prozessoren für die vier Achswellen
mit einer Summieranordnung verbunden, der ein Integrator nachgeschaltet
ist, der einen weiteren Eingang für die Division durch das Gewicht eines
Kraftfahrzeugs aufweist und dessen Ausgang mit einem Rechenbaustein
verbunden ist, der Ausgänge für die vier Radgeschwindigkeiten hat. Mit
dieser Anordnung können Drehzahlkorrekturen bei simultierten Kurven
fahrten einer der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechenden Drehzahl
überlagert werden.
Es ist günstig, wenn der Ausgang des Integrators über einen Rechen
baustein, dem fahrzeugspezifische Konstanten zur Berechnung der Fahr
widerstände zuführbar sind, auf eine Summierstelle rückgekoppelt ist.
Auch eine der Hangabtriebskraft simulierte Einrichtung kann an die
Summierstelle angeschlossen sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dar
gestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch ein Allradaggregat, welches in einem Allradprüfstand
angeordnet ist,
Fig. 2 schematisch die Struktur der Steuerung für den Allradprüfstand,
Fig. 3 nähere Einzelheiten der in Fig. 2 dargestellten Steuerungs
bausteine, die sich auf die Simulation eines Fahrzeugs beziehen,
Fig. 4 nähere Einzelheiten der in Fig. 2 dargestellten Steuerungs
bausteine, die sich auf die Simulation eines Rads an einer Achse
des Allradaggregats beziehen.
Ein Allradaggregat 1 ist über eine Welle 2 mit einer Vordermaschine 3,
z. B. einem Verbrennungsmotor, verbunden. Die Welle 2 ist an eine Schalt
kupplung 4 angeschlossen, die ausgangsseitig über eine nicht näher
bezeichnete Welle mit einem Getriebe 5 in Verbindung steht. Bei dem
Getriebe 5 kann es sich um ein Schaltgetriebe oder ein automatisches
Getriebe, z. B. ein Wandlergetriebe, handeln. Dem Getriebe 5 ist z. B. ein
unsymmetrisches Verteilergetriebe 6 mit einer Bremse nachgeschaltet, um
eine vorgebbare Momentaufteilung zwischen den Vorderrädern und den
Hinterrädern zu erreichen. Vom Verteilergetriebe 6 zweigen nicht näher
bezeichnete Wellen zu einem Hinterachsdifferentialgetriebe 7 und einer
Vorderachskupplung 8 ab. Das Hinterachsdifferentialgetriebe 7 kann eine
Bremse 9 aufweisen. Der wahlweise zuschaltbaren Vorderachskupplung 8 ist
ein Vorderachsdifferentialgetriebe 10 nachgeschaltet.
Mit den vom Vorderachsdifferentialgetriebe 10 ausgehenden Achswellen
sind jeweils eine erste Hintermaschine 11 und eine zweite Hintermaschine
12 verbunden. An die Achswellen des Hinterachsdifferentialgetriebes 7
sind jeweils eine dritte Hintermaschine 13 und eine vierte Hinter
maschine 14 angeschlossen. Die Hintermaschinen 11 bis 14 sind jeweils
als Gleichstrom-Nebenschlußmaschinen ausgebildet und haben den gleichen
Aufbau.
Als Antrieb dient insbesondere der Originalverbrennungsmotor.
Die Belastungen an den Achswellen werden mit Hilfe der Gleichstrom maschinen simuliert.
Der Prüfbetrieb kann stationäre und dynamische Betriebszustände ent halten. Es ist sowohl manueller als auch vollautomatischer Betrieb ohne Bedienungspersonal möglich.
Alle Teile des Prüfaufbaus befinden sich auf einem luftfeder-gelagerten Plattenfeld.
Die Gleichstrommaschinen sind leicht positionierbar. In das System integrierte Festhaltebremsen dienen zur Stall-speed-Prüfung.
Die Belastungen an den Achswellen werden mit Hilfe der Gleichstrom maschinen simuliert.
Der Prüfbetrieb kann stationäre und dynamische Betriebszustände ent halten. Es ist sowohl manueller als auch vollautomatischer Betrieb ohne Bedienungspersonal möglich.
Alle Teile des Prüfaufbaus befinden sich auf einem luftfeder-gelagerten Plattenfeld.
Die Gleichstrommaschinen sind leicht positionierbar. In das System integrierte Festhaltebremsen dienen zur Stall-speed-Prüfung.
Mit dem oben beschriebenen Prüfstand werden komplette Antriebsstränge
von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Allradantrieben, geprüft. Neben
stationären Belastungen können auch dynamische Ausgleichsvorgänge
nachgebildet und geprüft werden.
Auf dem Prüfstand wird das Fahrzeug bzw. der komplette Antriebsstrang
einschließlich Verbrennungsmotor aufgebaut.
Anstelle der Räder sind an den vier Achswellen Bremsaggregate mit
elektrischen Gleichstrommaschinen angekuppelt.
Die Gleichstrommaschinen simulieren während der "Fahrt" den Drehzahl-
Drehmoment-Verlauf der Achswellen.
Dieser ist einerseits von Verbrennungsmotor und dem Verhalten des
Antriebsstranges, andererseits von den Fahrwiderständen, der Fahrzeug
masse und dem Übertragungsverhalten des Reifens zur Straße abhängig.
Statt des Fahrers ist mindestens ein Prozessor vorgesehen, welcher über
Stellglieder Einfluß auf den Verbrennungsmotor und auf Teile des
Antriebsstrangs (Wählhebelstellung, Schaltgetriebe, Kupplung,
Differentialsperre usw.) nehmen kann.
Die Struktur der Steuerung für den Allradprüfstand ist in Fig. 2 dar
gestellt. Die Steuerung umfaßt ein Mehrprozessorsystem, in dem das
Fahrprofil 15 für die Prüfvorgänge gespeichert ist. Das Fahrprofil
enthält für eine vorgebbare Wegstrecke 16, die als Programm gespeichert
ist, Daten über die Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs, die über der
Stellung des Gaspedals entsprechende Größen eingestellt wird, und über
den einzulegenden Gang bzw. über die Stellung der Bremsen. Vorgegeben
wird ferner ein Sraßenprofil 17 in Form eines Programms, in dem Kurven,
Steigungen und Haftbeiwerte angegeben sind. Das Straßenprofil 17 wird in
Abhängigkeit von der Wegstrecke 16 und dem Fahrprofil 15 gesteuert. Vom
Fahrprofil 15 werden Anpaßglieder 18 betätigt, die für die Kraftstoff
zufuhr die Zündung des Verbrennungsmotors, die Kupplung, die Auswahl der
Gänge und die Bremseneinstellung vorgesehen sind. Deshalb sind in Fig. 2
entsprechende Ausgänge 19, 20 und 21 vorgesehen, die jeweils die Kraft
stoffeinstellelemente, die Kupplung, die Gangschaltung und die Bremsen
betätigen. Der Antriebsstrang ist in Fig. 2 mit 22 bezeichnet. Die
Ausgänge 20 sind an die Schaltkupplung 4 und das Getriebe 5 gelegt. Es
sind vier Regelschaltungen 23, 24, 25, 26 für die einzelnen Achswellen
vorgesehen. Die Regelschaltungen 23 bis 24 sind danach noch eingehender
erläutert. Der Antriebsstrang 22 enthält das Allradaggregat 1 mit den
Hintermaschinen 11 bis 14, sowie danach noch näher erläuterte Meßwert
geber für die Achswellenmomente und die Achswellendrehzahlen. Die
Verbindung der Regelschaltungen 23 bis 26 mit dem Antriebsstrang 22 ist
in Fig. 2 durch Pfeile dargestellt, die mit MA 1, nA 1, MA 2, nA 2, MA 3, nA 3
und MA 4 und nA 4 bezeichnet sind. Diese Pfeile beziehen sich auf die
Istwerte der Achswellenmomente und der Achswellendrehzahlen. Die Regel
schaltungen 23 bis 26 sind mit einer Einrichtung 27 zur Fahrzeug
simulation verbunden. Die Einrichtung 27 ist vorzugsweise Bestandteil des
Mehrprozessorsystems und steht auch mit den Anpaßgliedern 18 in Ver
bindung. In der Einrichtung 27 wird das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal,
das in Fig. 2 mit vF bezeichnet ist, gebildet und den Anpaßgliedern 18
zugeführt, um z. B. den jeweiligen Gang und die Kraftstoffzufuhr einzu
stellen. Die Regelschaltungen 23 bis 26 erhalten aus der Einrichtung 27
als Führungsgrößen Fahrgeschwindigkeiten der Räder, die mit VR 1, VR 2,
VR 3, VR 4 bezeichnet sind. Der Einrichtung 27 werden aus den Regel
schaltungen 23 bis 26 jeweils die an den Rädern angreifenden Momente
mitgeteilt, aus denen sich die Reifenumfangskräfte, die mit FR 1, FR 2, FR 3, FR 4
bezeichnet sind, bestimmen lassen. Außerdem werden der Einrichtung 27 vom
Straßenprofil 17 Angaben über Kurven zugeführt, aus denen die Einrichtung
27 die Führungsgrößen der Fahrgeschwindigkeiten der Räder bestimmt. Die
Einrichtung 27 für die Fahrzeugsimulation wird von einem Rechenbaustein
28 mit einer der Hangabtriebskraft entsprechenden Größe versorgt. Der
Rechenbaustein kann analog oder digital als Programm im Mehrprozessor
system realisiert sein. Dem Rechenbaustein 28 werden vom Straßenprofil 17
Steigungswerte mitgeteilt. Die Einrichtung 27 steht weiterhin mit einem
Rechenbaustein 29 in Verbindung, der die in Fahrtrichtung an der
Fahrzeugkarosserie angreifenden Kräfte bestimmt und eine entsprechende
Größe, die mit Fw bezeichnet ist, der Einrichtung 27 zuführt. Von der
Einrichtung 27 erhält der Rechenbaustein den Wert der Fahrzeug
geschwindigkeit VF zugeführt. Die Rechenbausteine 28 und 29 sind je mit
einer Einrichtung 30, die die Kraftfahrzeugparameter enthält, verbunden.
Als Kraftfahrzeugparameter werden z. B. der Luftwiderstand, die Reibungs
verluste und die Haftbeiwerte der Reifen vorgegeben.
Die Fig. 3 zeigt im einzelnen den Aufbau der Einrichtung 27 in Verbindung
mit den Rechenbausteinen 28 und 29.
Die Einrichtung 27 zur Fahrzeug-Simulation ermittelt die durch die
Fahrzeuggeometrie auf die Fahrsimulation einwirkenden Größen.
Es werden die an der Fahrzeugmasse angreifenden Kräfte erfaßt und daraus
die mittlere Fahrgeschwindigkeit vF und die linearen Geschwindigkeiten
vR der Räder berechnet.
Auf die Fahrzeugmasse wirken nachstehende Kräfte:
- - die in Fahrtrichtung an der Karosserie angreifenden resultierenden Fahrwiderstände (Windlast, Rollreibung) FW=ρ/2 cW · A · (vF±vW)E+k · vF (E=1,8 . . . 2)
- - die Kräfte FR, die über die Reifenoberflächen auf die Straße über
tragen werden,
jeweils verursacht durch- a) die vom Anriebsstrang über die Achswellen eingeleiteten Drehmomente MA 1, MA 2, MA 3, MA 4,
- b) die Drehmomente an den Fahrzeugbremsen MB 1, MB 2, MB 3, MB 4 einschließlich der Radlagerreibung,
- c) das Drehmoment FR zur Rückbeschleunigung eines durchgerutschten Reifens auf die aktuelle Fahrgeschwindigkeit.
Die Differenz der Kräfte beschleunigt oder verzögert das Fahrzeug. Die
Geschwindigkeit vF wird durch Integration der Differenzkraft ermittelt.
Bei Kräftegleichgewicht bleibt das Fahrzeug auf konstanter Geschwin
digkeit.
Die Einrichtung 27 enthält eine Summieranordnung 31, in der die
Differenzen der an den vier Rädern angreifenden Momente bzw. die
resultierenden Umfangskräfte der Reifen FR 1 bis FR 4, unter Berück
sichtigung der Reifendurchmesser, aufsummiert werden.
Die Summe der Reifenumfangskräfte FR 1 bis FR 4 wirkt gemeinsam mit den
Fahrwiderständen auf die Masse des Fahrzeugs, das dadurch beschleunigt,
verzögert oder bei Kräftegleichgewicht auf konstanter Geschwindigkeit
bleibt.
Zur Ermittlung der Fahrgeschwindigkeit vF werden der Summe der Reifen
umfangskräfte FR 1 bis FR 4 die Hangabtriebskraft FH und die in Fahrt
richtung an der Karosserie angreifenden resultierenden Fahrwiderstände
FW vorzeichenrichtig in einer Summierstelle 32 überlagert. Hieraus
ergibt sich eine Differenzkraft ΔF, die einem Integrator 33 zugeführt
wird. Eine weitere Eingangsgröße für den Integrator ist das Kraftfahr
zeuggewicht G, durch das der integrierte Wert dividiert wird. Der
Integrator 33 liefert nach der Beziehung
die Fahr
geschwindigkeit, die dem Rechenbaustein 29 zugeführt wird, der hieraus
und aus den Kraftfahrzeugparametern ρ, Cw, A, E und K die resultierenden
Fahrwiderstände Fw berechnet.
Die Fahrgeschwindigkeit wird einem Rechenbaustein 34 zugeführt. Die sich
daraus ergebende Fahrgeschwindigkeit vF wird durch die Fahrzeug-
Simulation ermittelt.
Jedes Rad besitzt gegenüber der "Straße" eine lineare Geschwindigkeit
vR, die bei Kurvenfahrt gegenüber der mittleren Fahrgeschwindigkeit
vR durch den Schlupf des Reifens von der Umfangsgeschwindigkeit des
Reifens (nA · Rdyn) abweichen kann.
- - Bei Geradeausfahrt, gleichgroßen Reifenradien und ausreichender Haftung der Reifen laufen alle Maschinen mit der der Fahrgeschwin digkeit entsprechenden Drehzahl nACHSE=vF * 1/Rdyn * (1-s)
- - Bei Kurvenfahrt überlagert sich eine Drehzahlkorrektur, die sich wie auf der Straße ausbilden kann, wenn es der Prüfling aufgrund seines Verhaltens zuläßt (freies Differential).
Durch eine Kurvenfahrt ergibt sich eine Verschiebung zwischen rechtem
und linkem Rad sowie Vorder- und Hinterachse, die von der Achsgeometrie
bestimmt wird, die dem Rechenbaustein 34 zugeführt wird. Dies gilt
generell, d. h. auch bei gesperrtem Differential, wenn keine Drehzahl
abweichung zwischen den Achsen möglich ist.
Der Umrechnungsfaktor wird in der Einrichtun 27 als Kraftfahrzeug
parameter typenabhängig gespeichert und in der Fahrzeug-Simulation
verarbeitet. Der Rechenbaustein bestimmt auf der Grundlage der Achs
geometrie und des vom Straßenprofil 17 vorgegebenen Kurvenradius die
Geschwindigkeiten der Räder VR 1, VR 2, VR 3, VR 4.
Die Fahrgeschwindigkeit vF wirkt auf die Kraftstoffzufuhr zum Ver
brennungsmotor 3 ein. Weiterhin wird die Fahrgeschwindigkeit zur
Bestimmung des zurückgelegten Wegs benutzt.
In Fig. 4 ist eine Anordnung zur Simulation des Verhaltens eines Rads an
einer Achswelle des Allradaggregats 1 dargestellt. Die in Fig. 4 gezeigte
Anordnung ist viermal, d. h. für jede Achswelle vorhanden. Mit der
Anordnung gemäß Fig. 4 läßt sich das Drehzahl/Drehmoment-Verhalten der
jeweiligen Achswelle prüfen.
Mit der jeweiligen Achswelle ist eine Meßwelle verbunden, an die auch
der Rotor einer Gleichstrommaschine 36 angeschlossen ist. Mit dem Rotor
ist ferner ein Tachogenerator 37 gekuppelt. Der Tachogenerator 37
erzeugt eine der Raddrehzahl nA entsprechende Größe, die einer Summier
stelle 38 zugeführt wird. Eine weitere Eingangsgröße für die Summier
stelle 38 ist die vom Rechenbaustein 34 für das jeweilige Rad berechnete
Geschwindigkeit vR, die als Führungsgröße vorgegeben wird. An der
Summierstelle 38 wird die Differenz des Istwerts der Radgeschwindigkeit
nA und der Führungsgröße vR gebildet. Die Differenz wird einem Prozessor
39 zugeführt. Im Prozessor 35 ist die Schlupfkennlinie des Reifens
gespeichert. Die Differenz, die dem Schlupf des Reifens (vR-nA · Rdyn)
entspricht, wird zur Bestimmung der Reifenumfangskraft FR mit Hilfe der
Schlupfkennlinie benutzt. In der Schlupfkennlinie geht ein Haftbeiwert
ein, mit dem die Radhaftung auf dem Straßenbelag berücksichtigt wird.
Mit dem Haftbeiwert wird in Verbindung mit der Geschwindigkeit vR und
der Istgeschwindigkeit aus einem Kennfeld eine Größe ermittelt, durch
die ein bestimmter Zweig der Schlupfkennlinie ausgewählt wird. Bei
überschrittener Haftfähigkeit, d. h. sehr geringem Haftbeiwert, wird ein
entsprechender Bereich der Schlupfkennlinie ausgewählt.
Die Reifenumfangskraft FR wird einer Summierstelle 41 zugeführt, an der
auch das Ausgangssignal der Meßwelle 35, also der Istwert des Achs
wellenmoments MA ansteht. Weiterhin wird der Summierstelle 41 eine dem
Drehmoment der Fahrzeugbremse entsprechende Größe MB zugeführt, die aus
einem Funktionsbaustein 42 gewonnen wird, der eingangsseitig mit dem
Tachogenerator 37 verbunden ist. Im Funktionsbaustein ist die Brems
kennlinie, d. h. das Bremsmoment, in Abhängigkeit von der Drehzahl für
die jeweils zu simulierende Bremse gespeichert. Die Ausgangsgröße M der
Summierstelle 41 beaufschlagt einen Integrator 43, der das Integral
d. h. eine dem Sollwert der Raddrehzahl entsprechende Größe durch
Division mit dem Radträgheitsmoment I bildet. Der Sollwert der Raddreh
zahl nA(soll) beaufschlagt über ein Korrekturglied 44, dem noch der
Istwert der Raddrehzahl nA(ist) aus dem Tachogenerator zugeführt wird,
ein Summierglied 45, mit dem die Regelabweichung zwischen Soll- und
Istwert der Raddrehachse gebildet wird, d. h. nA(ist)-nA(soll). Die
Regelabweichung beaufschlagt im PID-Drehzahlregler 46, der auf einen
Stromrichter 47 einwirkt, der die Gleichstrommaschine 36 speist.
STRASSEN-PROFIL und FAHR-PROFIL können durch wegabhängige ggf. auch
zeitabhängige Programme vorgesehen werden, die eine bestimmte Fahr
strecke darstellen.
In der Einrichtung 30 sind folgende Konstanten und Kennlinien eines
Fahrzeugs abgelegt:
- - Fahrzeug-Gesamtgewicht G
- - cW-Wert
- - Fahrzeugfläche A
- - Luftdichte ρ
- - Exponent der Windwiderstände E
- - Rad-Trägheit IR
- - dynamischer Rollradius Rdyn
- - max. Bremsmoment je Achse
- - Kurvenkonstante Vorderachse kKv (ggf. Kennlinie)
- - Kurvenkonstante Hinterachse kKh
- - Fahrschlupf-Kennlinie (Kennfeld) des Reifens
- - max. Fahrgeschwindigkeit
- - max. Motordrehzahl
- - Leerlaufdrehzahl des Motors
- - Getriebeübersetzungen
Die Konstanten wurden zum Teil vorher bereits erwähnt.
Die Fahrschlupf-Kennlinie kann nach Bedarf über ein Terminal eingegeben
werden und zwar die Umfangskraft am Reifen als Funktion der Drehzahl
differenz zwischen Straße und Reifenumfang.
Sie besteht aus zwei Teilkurven:
- 1. einer reifenabhängigen Schlupfkennlinie, die den normalen Fahrschlupf berücksichtigt,
- 2. einer straßenabhängigen Begrenzung der Übertragungsfähigkeit, die ein freies Durchrutschen des Reifens zur Folge hat, wenn die Zugkraft grenze erreicht wird.
Claims (8)
1. Verfahren zur Prüfung eines Allradaggregats durch Simulation von
Fahrzuständen des zugehörigen Fahrzeugs in einem Allradprüfstand, in
dem das Allradaggregat mit einer Vordermaschine und jeweils an den
Achswellen mit einer Hintermaschine gekuppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß für jede Achswelle die Achswellendrehzahl gemessen und mit einer
Führungsgröße, die aus einer Fahrgeschwindigkeit unter Berück
sichtigung eines jeweils vorgegebenen Kurvenradius für das
zugehörige Rad bestimmt wird, zur Bildung einer Drehzahldifferenz
verglichen wird, aus der mittels einer Kennlinie, die die Umfangs
kraft am Reifen als Funktion der Drehzahldifferenz zwischen der
Reifendrehzahl und der der Fahrgeschwindigkeit entsprechenden
Drehzahl festlegt, die Reifenumfangskraft bestimmt wird, aus der
durch Vergleich zumindest mit dem gemessenen Achswellenmoment die
Differenz der am Rad angreifenden Momente gebildet wird, aus der
durch Integration und Division durch das Radträgheitsmoment der
Sollwert der Raddrehzahl bestimmt wird, der mit dem Istwert der
Raddrehzahl zur Bildung der Regelabweichung verglichen wird, die
über einen Regler die Hintermaschine beaufschlagt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zu dem Istwert der Achswellendrehzahl jeweils über eine dem
Drehmoment der Radbremse entsprechende Kennlinie ein Bremsmoment
bestimmt wird, das vorzeichenrichtig mit dem Istwert des Achs
moments und der Reifenumfangskraft aufsummiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenzen der an den Rädern angreifenden Momente vor
zeichenrichtig aufsummiert und als Summenkraft vorzeichenrichtig
mit auf die Fahrzeugmasse wirkenden, vorgebbaren Kräften zu einer
Differenzkraft summiert werden, die nach Integration und Division
durch die Fahrzeugmasse als Fahrzeuggeschwindigkeit in Führungs
größen für die einzelnen Räder umgerechnet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die an einer Karrosserie angreifenden Fahrwiderstände vor
zeichenrichtig der Differenzkraft hinzugefügt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hangabtriebskraft eines Fahrzeugs vorzeichenrichtig der
Differenzkraft hinzugefügt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Hintermaschine an jeder Achswelle eine Gleichstrom
maschine (36) angekoppelt ist, mit deren Rotor ein Tachogenerator
(37) verbunden ist, der mit einer Summierstelle (38) verbunden ist,
die an einen Rechenbaustein (34) für die Radgeschwindigkeit
angeschlossen ist und der ein Prozessor (39) mit einem Speicher
für die Kennlinie der Umfangskraft am Reifen nachgeschaltet ist,
daß der Ausgang des jeweiligen Prozessors (39) an eine Summierstelle (41)
gelegt ist, die an eine Meßwelle (35) für das Achswellenmoment
angeschlossen ist und über einen Integrator (43), der einen
weiteren Eingang für die Division durch das Radträgheitsmoment
aufweist, mit einer Summierstelle (45) verbunden ist, die an den
Tachogenerator (37) und an einen Regelbaustein angeschlossen ist,
dem die Gleichstrommaschine (36) nachgeschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgänge der Prozessoren (39) für die vier Achswellen mit
einer Summierschaltung (31) verbunden sind, der ein Integrator (33)
nachgeschaltet ist, der einen weiteren Eingang für die Division
durch das Gewicht eines Kraftfahrzeugs aufweist und dessen Ausgang
mit einem Rechenbaustein (34) verbunden ist, der Ausgänge für die
vier Radgeschwindigkeiten hat.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgang des Integrators (33) über einen Rechenbaustein
(29), dem fahrzeugspezifische Konstanten zuführbar sind, auf eine
Summierstelle (32) rückgekoppelt ist.
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